油田數(shù)字化建設(shè)中集油配注系統(tǒng)分布式自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

畢 博，王 楊，吳泓潤

（1.國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司長春輸油氣分公司，長春 130000；2.國家管網(wǎng)集團(tuán)吉林天然氣管道有限責(zé)任公司，長春 130000）

0 引言

近幾年信息化技術(shù)不斷在進(jìn)步，油田公司中生產(chǎn)設(shè)備數(shù)量不斷增多，油田開發(fā)的難度不斷提高。在此背景下，油田中生產(chǎn)與經(jīng)營的工作量增大，提升效率、降低成本成為了當(dāng)下油田公司發(fā)展中要解決的重要問題。為了在油田建設(shè)中更高效率地投入人力與物力，要促進(jìn)信息化發(fā)展，有效利用數(shù)字化技術(shù)手段，進(jìn)一步探索數(shù)字化油田開發(fā)與管理新思路。數(shù)字油田實(shí)際上就是油田建設(shè)管理的信息化、數(shù)字化與標(biāo)準(zhǔn)化，基于數(shù)據(jù)信息資源，以數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交互為重要渠道，將軟硬件、信息與其他功能集于一體，創(chuàng)建綜合管理的信息系統(tǒng)。數(shù)字油田的概念有狹義與廣義之分，狹義的數(shù)字油田包括油田勘探、開發(fā)與鉆采等環(huán)節(jié)。廣義的數(shù)字油田是油田運(yùn)用系統(tǒng)的有效集成體，是石油公司中的數(shù)字化模型，是油田自然狀態(tài)下的信息技術(shù)虛擬體，是數(shù)字化的公司實(shí)體等。中國石油公司對(duì)數(shù)字化建設(shè)，給予高度重視，很多油田都根據(jù)自身實(shí)際情況，制定數(shù)字油田的建設(shè)與發(fā)展戰(zhàn)略。從廣義分析數(shù)字油田的建設(shè)，則是十分煩瑣復(fù)雜的過程。

現(xiàn)在我國油田建設(shè)數(shù)字化系統(tǒng)已經(jīng)成為常態(tài)。油田企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，此時(shí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫便可發(fā)揮自身的優(yōu)勢(shì)，長時(shí)間、高效率地儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。2015 年以前，大多數(shù)油田公司信息化建設(shè)還未運(yùn)用在管理中，數(shù)字化軟件的承載能力弱。在對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫在儲(chǔ)存與查詢數(shù)據(jù)方面有更大優(yōu)勢(shì)。因此，石油公司在油田數(shù)字化建設(shè)中應(yīng)用了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)與分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，再建設(shè)一套實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。本文探討油田數(shù)字化建設(shè)中集油配注系統(tǒng)分布式自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 油田數(shù)字化建設(shè)中集油配注系統(tǒng)分布式自控系統(tǒng)功能建設(shè)設(shè)計(jì)

1.1 集油環(huán)摻水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 為集油環(huán)摻水控制系統(tǒng)示意圖，每一個(gè)集油摻水管線中都裝有數(shù)字化摻水壓力表和數(shù)字化摻水流量計(jì)，用于檢測(cè)集油環(huán)摻水的壓力與流量（累計(jì)流量、瞬時(shí)流量），然后通過流量控制閥來控制摻水流量與壓力。油田數(shù)字化建設(shè)中在回油管線處安裝數(shù)字化油溫度計(jì)，來監(jiān)測(cè)集油環(huán)的回油溫度。在實(shí)際工作中，多個(gè)參數(shù)互相影響，包括回油溫度、摻水壓力、摻水累計(jì)流量與瞬時(shí)流量等，四方面互相耦合，為整體進(jìn)行摻水控制帶來較大難度。依據(jù)對(duì)傳統(tǒng)油田現(xiàn)場實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)可知，數(shù)字化油田中的摻水壓力波動(dòng)數(shù)值，可作為集油環(huán)中結(jié)蠟是否有堵環(huán)風(fēng)險(xiǎn)等問題的主要判斷依據(jù)，而摻水瞬時(shí)流量則能夠作為次要判別依據(jù)。所以依據(jù)實(shí)際需求，在油田數(shù)字化建設(shè)工作中，擬在摻水管中增加來水溫度計(jì)，用來監(jiān)測(cè)匯管來水溫度。然后在后期程序的控制與維護(hù)中，優(yōu)先檢測(cè)匯管來水溫度，判斷是否加壓。

圖1 集油環(huán)摻水控制系統(tǒng)示意

1.2 注水流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 是集油配注系統(tǒng)分布式自控系統(tǒng)中注水流量控制系統(tǒng)示意圖，每一個(gè)注水管都裝有數(shù)字式注水流量計(jì)與油管壓力管，檢測(cè)每一個(gè)水井油管的壓力、累計(jì)水量與瞬時(shí)水量，另外，還要安裝水量控制閥，調(diào)節(jié)注水量。在油田實(shí)際生產(chǎn)過程中，來自底層的單口水井油管壓力數(shù)據(jù)可以反映目標(biāo)注水層的情況，這不是可以人為調(diào)節(jié)的。累計(jì)水量與瞬時(shí)水量的大小，受油管壓力影響。所以可依據(jù)油田現(xiàn)場的實(shí)際操作控制需求，先完成油管壓力低的水井配注，而油管壓力高的水井，則在滿足油管壓力低的水井完成配注任務(wù)工作前，依照計(jì)劃設(shè)計(jì)水量，完成最終的配注任務(wù)。此處的注水流量控制系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)有硬性要求，就是注水過程中的水壓盡量保持平穩(wěn)，盡量降低壓力與流量的波動(dòng)，必要時(shí)可進(jìn)行短期調(diào)節(jié)。

圖2 集油配注系統(tǒng)分布式自控系統(tǒng)中注水流量控制系統(tǒng)示意

1.3 分布式數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看功能，對(duì)集油配注系統(tǒng)工作中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行即時(shí)檢測(cè)并采集，通過采集的設(shè)備、采集的點(diǎn)等多種形式查看數(shù)據(jù)，輔助使用者判斷采集配置正確性與數(shù)據(jù)自身的正確性。另外，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看還具有分頁展示功能。其次，油井單井跟蹤。可據(jù)此功能快速查詢生產(chǎn)對(duì)象的運(yùn)行參數(shù)，探究油氣生產(chǎn)運(yùn)行的規(guī)律，幫助用戶了解生產(chǎn)運(yùn)行是否處于合理的狀態(tài)。最后，設(shè)計(jì)歷史數(shù)據(jù)查看功能。用戶可根據(jù)業(yè)務(wù)需求，利用歷史數(shù)據(jù)查看功能觀看一段時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，還支持對(duì)時(shí)間段、站點(diǎn)、點(diǎn)類型等自定義，完成個(gè)性化數(shù)據(jù)的查詢。

2 油田數(shù)字化建設(shè)中集油配注系統(tǒng)分布式自控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

油田數(shù)字化建設(shè)中集油配注系統(tǒng)分布式自控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，是基于此項(xiàng)目的工作特征與運(yùn)用場景。在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫開發(fā)的時(shí)候，以Erlang 技術(shù)為核心技術(shù)。Erlang 作為一種動(dòng)態(tài)的、結(jié)構(gòu)化的編程語言，適合運(yùn)用于實(shí)時(shí)與并行、分布式的計(jì)算系統(tǒng)。在此運(yùn)用Erlang 技術(shù)編寫的程序，往往是由上千萬個(gè)輕量級(jí)的進(jìn)程構(gòu)成，然后利用消息傳遞方式互相通信。在進(jìn)程中的上下文切換，只是Erlang 技術(shù)中的一小部分環(huán)節(jié)。與C 程序相比，Erlang 技術(shù)線程切換更加高效，主要特點(diǎn)為：并發(fā)性、分布式、健壯性、軟實(shí)時(shí)性、遞增式代碼裝載、外部接口、速錯(cuò)、動(dòng)態(tài)類型、支持腳本運(yùn)行等。將此運(yùn)用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，主要包括以下4 個(gè)方面。

2.1 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)采集功能設(shè)計(jì)

第一，對(duì)接協(xié)議。使用Erlang 技術(shù)可自然實(shí)現(xiàn)Modbus 協(xié)議，可以滿足傳統(tǒng)數(shù)據(jù)化中Modbus 協(xié)議對(duì)于寄存器的讀與寫操作，還能突破對(duì)傳統(tǒng)采集器的單詞采集地址最大長度的限制，并可對(duì)知識(shí)列表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。傳統(tǒng)的采集器不能采集功圖問題也能通過對(duì)接協(xié)議加以解決，協(xié)議內(nèi)部有多種通信協(xié)議，如PLC 和RTU，與當(dāng)下油田主流信息的傳輸協(xié)議完全兼容，并與RTU 連接配置，快速完成多種數(shù)據(jù)與設(shè)備管理信息的接入。第二，分布式采集。在油田中支持Modbus 協(xié)議的分布式采集，發(fā)揮Erlang 并發(fā)性特點(diǎn)，一個(gè)RTU 運(yùn)用一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程，然后依據(jù)RTU 點(diǎn)表規(guī)則，采集數(shù)據(jù)，不同進(jìn)程之間不共享數(shù)據(jù)。在服務(wù)器的多核處理器與服務(wù)器中進(jìn)行分布式采集。確保讀取數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與高效性。第三，數(shù)據(jù)預(yù)處理。通過RTU 采集的數(shù)據(jù)，還需進(jìn)行預(yù)處理之后再使用，采集器開發(fā)預(yù)處理表達(dá)式中的解析板塊，支持精度處理、四則運(yùn)算法則處理，可以通過不同操作系統(tǒng)的大小端配置讓用戶靈活操作。

2.2 數(shù)據(jù)庫對(duì)外接口設(shè)計(jì)

油田數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)訪問方式有很多種，如API、OPC、OLEDB、ODBC 等。第一，OPC 方式訪問。在OPC 客戶端訪問服務(wù)器的時(shí)候，與DDE 相似，將OPC 服務(wù)器作為I／O 設(shè)備，以此驅(qū)動(dòng)方法讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)存到關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫。現(xiàn)在現(xiàn)場使用的是力控ForceContro數(shù)據(jù)庫，在此只能借助OPC 方式獲得數(shù)據(jù)。第二，DDE客戶端訪問。將DDE 服務(wù)器作為I／O 設(shè)備，完成本機(jī)從遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)提供DDE 驅(qū)動(dòng)程序，完成與DDE 服務(wù)器中數(shù)據(jù)的交換。進(jìn)而在DDE 客戶端中，將讀取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。第三，API 方式訪問。借助API 形式獲得油田中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，著力控制數(shù)據(jù)庫的同時(shí)落實(shí)DBCOMM 接口，在API 輔助下獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并保存。第四，ODBC 方式訪問。微軟為開放式數(shù)據(jù)庫的使用提供多種關(guān)系數(shù)據(jù)的使用接口，在該標(biāo)準(zhǔn)下的關(guān)系數(shù)據(jù)庫就是ODBC 數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)為數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)資源的配置提供關(guān)系型工具，靈活運(yùn)用數(shù)據(jù)源。監(jiān)聽程序下利用預(yù)制導(dǎo)入規(guī)則，選擇數(shù)據(jù)源，定期定時(shí)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)的永久性保存。力控?cái)?shù)據(jù)庫的運(yùn)用可創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫連接規(guī)范，優(yōu)化數(shù)據(jù)庫，通過腳本的創(chuàng)建，編輯已有數(shù)據(jù)，為石油公司中的數(shù)據(jù)設(shè)置不同觸發(fā)條件，轉(zhuǎn)存為有效數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述介紹，對(duì)幾種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)方案進(jìn)行分析，具體操作為：先創(chuàng)建數(shù)據(jù)源，然后利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存任務(wù)設(shè)置轉(zhuǎn)儲(chǔ)數(shù)據(jù)點(diǎn)，結(jié)合多、單記錄等轉(zhuǎn)儲(chǔ)形式，為用戶提供適合的類型，選擇觸發(fā)方式。接著保存設(shè)置轉(zhuǎn)存任務(wù)，借助檢測(cè)工具查看有關(guān)任務(wù)，如檢測(cè)連接狀態(tài)、轉(zhuǎn)儲(chǔ)狀態(tài)等。

2.3 點(diǎn)表管理設(shè)計(jì)

基于采集設(shè)備與用戶的使用習(xí)慣，要對(duì)采集點(diǎn)中的配置進(jìn)行管理，進(jìn)而靈活增加新的采集點(diǎn)與設(shè)備，構(gòu)建以計(jì)量單位、組織結(jié)構(gòu)為分類依據(jù)的油田采集設(shè)備分類管理體系，完成對(duì)采集設(shè)備的分層管理，便于對(duì)油田用戶的管理。另外，在系統(tǒng)使用過程中，發(fā)現(xiàn)多個(gè)采集點(diǎn)的對(duì)象采集設(shè)備大同小異，所以可創(chuàng)建默認(rèn)點(diǎn)表的批量配置，最大限度地提升點(diǎn)表配置效率。

第一，以RTU 配置默認(rèn)點(diǎn)表。油田中有很多類別的點(diǎn)表，如配注間、水井、油井中的點(diǎn)表，其相似度較高。所以用戶在創(chuàng)建RTU 采集設(shè)備的時(shí)候，可能會(huì)默認(rèn)統(tǒng)一的點(diǎn)表，必要的時(shí)候進(jìn)行些許改動(dòng)即可，如此在新RTU 采集設(shè)備添加上，可減少近90%的工作量。第二，點(diǎn)表的修改上，讓其具有可退回功能。在分離機(jī)制與點(diǎn)表維護(hù)下，支持?jǐn)?shù)據(jù)可退回到上次提交前，以此可確保點(diǎn)表維護(hù)工作的完整性。第三，點(diǎn)表規(guī)則支持預(yù)處理表達(dá)式。RTU 采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)過預(yù)處理再使用，采集器開發(fā)預(yù)處理表達(dá)式的解析環(huán)節(jié)，在四則運(yùn)算法則與精準(zhǔn)處理下，設(shè)置不同操作系統(tǒng)的多端配置，讓用戶能夠靈活配置。如采集的原始數(shù)據(jù)為X，配置X 則不能是經(jīng)過任何處理的。第四，已配置點(diǎn)表的管理。在Web 頁面中運(yùn)用RTU 新增與刪除過后，重新創(chuàng)建點(diǎn)表規(guī)則，發(fā)揮修改、刪除與查看等功能。對(duì)于點(diǎn)表的管理，要運(yùn)用分離設(shè)計(jì)，所以點(diǎn)表在提交前還支持退回，避免產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)不能修復(fù)。

2.4 基礎(chǔ)信息管理設(shè)計(jì)

油田數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與運(yùn)用，需要在靜態(tài)基礎(chǔ)信息基礎(chǔ)上構(gòu)建維護(hù)管理機(jī)制，以此才能有效刪改井、站集油間、配注間中生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)等基礎(chǔ)信息，完成生產(chǎn)對(duì)象的關(guān)系維護(hù)。另外，為了提升系統(tǒng)的效率與實(shí)用性，保持?jǐn)?shù)據(jù)的同步，還需考慮其他要點(diǎn)的設(shè)計(jì)。如服務(wù)端生成的ID 可以修改，可能產(chǎn)生已驗(yàn)證ID 重復(fù)的情況。集油間／環(huán)的關(guān)系需要修改，在井內(nèi)增加外鍵，防止產(chǎn)生隸屬關(guān)系脫節(jié)等問題。

3 結(jié)論

綜上，在油田數(shù)字化建設(shè)工作中，加強(qiáng)數(shù)據(jù)庫建設(shè)是石油公司發(fā)展的必然趨勢(shì)，可提升公司核心競爭力。隨著信息技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，數(shù)字油田開始走向智慧油田，提高油田的數(shù)字化、智能化水平，可以創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。